В сырьевые емкости производства по переработке газового конденсата (ППГК) ООО «НОВАТЭК-Пуровский ЗПК» (далее – завод) поступает деэтанизированный газовый конденсат (ДЭК) содержащий пластовую воду с растворенным в ней солями жидкости (гидрокарбонат Ca и Mg) и метанолом. В процессе транспортировки ДЭК по конденсатопроводу образуется устойчивая «водонефтяная» эмульсия. При этом вода, находящаяся в ДЭК в виде глобул, содержит растворенные соли жесткости и метанол, образуя таким образом водометанольный раствор (ВМР).
ВМР затем в сырьевых емкостях УСФК-1,2 (далее – установка) подвергается гравитационному отделению от ДЭК в процессе его подготовки к стабилизации, и в рефлюксных емкостях колонн стабилизаторов от пропан-бутановой фракции (ПБФ), а затем более глубокому извлечению остаточного ВМР из ПБФ технологией экстракции. Полученный в результате ВМР (в сырьевых и рефлюксных емкостях колонн стабилизаторов) закачивается в поглощающий пласт, из-за высокого содержания солей жесткости, а ВМР, извлеченный при помощи процесса экстракции, подвергается разделению путем ректификации в колоннах 070К-2/1,2 на метанол с концентрацией менее 90 % масс и воду с содержанием метанола не более 0,2 % масс [1].
Технология
В отделении экстракции пропан-бутановая фракция отмывается от метанола путем экстракции водой в аппарате колонного типа 070К-1 и далее поступает в адсорберы на осушку. ВМС из куба колонны 070К-1, через дегазатор поступает в колонну 070К-2, где путем ректификации от нее отгоняется метанол и выводится на склад, а вода с содержанием метанола не более 0,005 % масс. вновь возвращается на отмывку в колонну 070К-1 (см. рисунок 1).
ПБФ, содержащая метанол, из отделения фракционирования установки стабилизации и фракционирования конденсата через буферную емкость насосом, с расходом 100–180 м3/час, подается в нижнюю зону экстракционной колонны 070К-1, оборудованную однопоточными ситчатыми тарелками в количестве 53 штук. Регенерированная вода насосом 070Н-3 через аппарат воздушного охлаждения 070ВХ-1 подается в верхнюю часть экстракционной колонны 070К-1. В экстракционной колонне 070К-1 на контактных тарельчатых устройствах происходит процесс экстракции, при котором содержащийся в ПБФ метанол переходит в водный раствор.
Отмытая от метанола ПБФ с верха экстракционной колонны 070К-1 по уровню раздела фаз поступает в фильтр-сепаратор 070Е-2. Фильтр-сепаратор 070Е-2 оборудован коалесцирующими фильтр-патронами, на которых происходит укрупнение капель ВМС, что в свою очередь способствует отделению ВМС от ПБФ в фильтр-сепараторе. ВМС накапливается в нижней части фильтра-сепаратора, откуда совместно с потоком ВМС из нижней части экстракционной колонны 070К-1 направляется в дегазатор 070Е-3.
Поступающая в дегазатор 070Е-3 ВМС содержит растворенные углеводороды, которые из дегазатора направляются в топливную сеть.
ВМС из дегазатора 070Е-3 через трубное пространство буферной емкости 070Т-1/1,2 направляется в колонну регенерации метанола 070К-2.
В колонне 070К-2 происходит отгонка метанола от воды до содержания его в кубе до 0,005 % масс. Колонна 070К-2 оборудована однопоточными ситчатыми тарелками в количестве 56 штук.
Тепло в кубовую часть колонны подводится при помощи испарителя с огневым подогревом 070П-1
Колонна работает при следующих параметрах:
- давление куба – не более 0,06 МПа;
- температура в кубе – 108–115 0С;
- температура верха – 65–85 0С.
Регенерированная вода из куба колонны 070К-2 перетекает в испаритель 070-1, где испаряется за счет тепла дымовых газов, образующихся при сгорании топливного газа. Пары из испарителя поступают в колонну регенерации воды 070К-2 под нижнюю тарелку.
Вода с содержанием метанола до 0,005 % масс. из межтрубного пространства буферной емкости 070Т-1/1,2 испарителя, насосами 070Н-3 через аппарат воздушного охлаждения 070ВХ-1 направляется в экстракционную колонну 070К-1.
В целях постоянного обновления регенерированной воды из куба колонны 070К-2 осуществляется подача свежей подпиточной воды от узла очистки воды от механических примесей на всас насоса 070Н-3. Избыток воды выводится из контура системы на комплекс очистных сооружений (КОС) предприятия. Пары метанола с верха колонн регенерации воды 070К-2/1,2 поступают в аппарат воздушного охлаждения 070ВХ-2, где конденсируются и стекают в рефлюксную емкость 070Е-4, откуда частично, в качестве флегмы, возвращаются в колонну, а балансовый избыток направляется на склад для последующей отгрузки потребителям [1, 2].
Сущность проблемы
Поступающие в колонны потоки (см. рисунок 1): ПБФ с содержанием в нем ВМР под нижнюю тарелку колонны 070К-1, ВМР из куба колонны 070К-1 в секцию питания колонны 070К-2, подпиточная вода на прием насоса 070Н-3 – содержат соли жесткости, которые образуют на поверхности внутренних контактных устройств, в том числе и на рабочей поверхности полотна тарелки, значительные отложения, сокращающие диаметр отверстий ситчатых тарелок колонны с 6,3 до 1–1,5 мм (см. рисунок 2).
Это явление значительно ухудшает качественные показатели процесса, вызывая рост перепада давления в колоннах 070-2/1,2. Образование на поверхности контактных устройств солевых отложений снижает производительность колонн 070К-2/1,2 установки и в конечном итоге приводит к внеплановому останову.
Промышленная эксплуатация колонн регенерации воды 070К-2/1,2 выявила проектные недоработки, влекущие ряд проблем, без решения которых дальнейшая эксплуатация приводит к частым вынужденным остановам оборудования блока регенерации экстракционной воды с целью проведения ремонтных работ, связанных со вскрытием колонн, снятием и чисткой внутренних контактных устройств из-за значительного отложения солей жесткости на их поверхности.
В результате чего имеется простой оборудования и финансовые затраты, связанные с его ремонтом, а также безвозвратные потери попутного продукта установки – товарного метанола, закачиваемого в поглощающую скважину в виде высококонцентрированного ВМР (содержание метанола в данных потоках ВМР более 70 %) в объеме 445 тонн в год, из-за высокого содержания в нем солей жесткости, что соответствует потерям по товарному метанолу 337 тонн в год (см. рисунок 3).
Потери товарного метанола в количестве 337 тонн в год в денежном выражении составляют 3 268 900 рублей.
Значимость существующих проблем в денежном эквиваленте составит 7 435 214 рублей. Что включает в себя упущенную выгоду из-за отсутствия выработки товарного метанола (6 846 331 рубль), связанной с внеплановым остановом оборудования для проведения ремонтных работ в течение 10 суток, и затраты на проведение ремонта (588 883 рубля).
Останов оборудования для проведения ремонтных работ влечет необходимость закачки всего объема ВМР, поступающего на завод вместе с сырьем, в поглощающую скважину.
Более того, подземное захоронение ВМР, как всякое техногенное явление, оказывает воздействие на окружающую природную среду, что прежде всего заключается в рисках проникновения метанолосодержащих промстоков в пресные подземные воды хозяйственно-питьевого назначения.
Следует также отметить зависимость месторождений ООО «НОВАТЭК-Таркосаленефтегаз» от вырабатываемого на заводе товарного метанола [1].
Целью настоящей работы является:
- выявление причины образования солеотложения на внутренних контактных устройствах колонн;
- рассмотрение различных вариантов решения проблем, связанных с образованием отложений солей на внутренних контактных устройствах колонного оборудования;
- увеличение производительности колонны регенерации экстракционной воды на 20 %, позволяющее вовлечь в переработку дополнительные объемы водометанольного раствора.
Методы решения заявленных проблем
В рассмотренной работе были выявлены причины возникновения проблем и освещены различные методы их решения. Наиболее предпочтительные методы подверглись детальному анализу, такие как:
- метод замены ситчатых тарелок на полотна тарелки трапециевидно-клапанные (неподвижный клапан);
- безреагентный физический метод (МГДО);
- реагентный метод;
- метод обратного осмоса.
Метод замены ситчатых тарелок на полотна тарелки трапециевидно клапанные (неподвижный клапан)
На сегодняшний день в колоннах регенерации экстракционной воды 070К-2/1,2 установлены по 56 ситчатых тарелок.
Ситчатые тарелки имеют низкий коэффициент полезного действия (КПД) от 30 до 40 %. Известно, что аппараты колонного типа с ситчатыми тарелками не рекомендуется использовать для работы на загрязненных средах; это может вызвать забивание отверстий.
Применение в качестве внутренних контактных устройств колонного оборудования тарелок данного типа продиктовано изначально невысокими требованиями к качеству верхнего и кубового продуктов колонны, содержание метанола в которых в верхнем продукте не должно быть ниже 90 % масс., в кубовом продукте – не выше 0,2 % масс.
На данном этапе эксплуатации блока регенерации экстракционной воды отделения экстракции установки осушки СУГ требования к верхнему продукту колонн 070К-2/1,2, товарному метанолу, значительно ужесточились со стороны основного потребителя продукта – ООО «НОВАТЭК-Тарксаленфтегаз», по которым концентрация метанола в товарном метаноле не должна быть ниже 94 % масс.
Однако существенной недоработкой проекта можно считать и то, что не был учтен факт поступления на завод сырья от газоконденсатных месторождений с высоким содержанием солей жесткости, а также использование в качестве экстрагента не специально подготовленной воды (умягченной воды, конденсата водяного пара, обессоленной воды), а воды из промпротивопожарного трубопровода, содержащей соли жесткости. Применение тарелок простейшей конструкции и отсутствие подготовки сырья, поступающего на завод, путем удаления солей жесткости приводит к скорому зарастанию внутренних контактных устройств колонны и отверстий рабочего полотна тарелки солевыми отложениями и в конечном счете – к выводу колонн из строя.
Одним из предложенных методов устранения вышеперечисленных проблем является замена неэффективных внутренних контактных устройств колонны на полотна тарелки трапециевидно-клапанные (неподвижный клапан).
Полотна тарелки трапециевидно-клапанные снабжены трапециевидными клапанами с волнистыми кромками, обеспечивающими интенсивную турбулизацию газожидкостного потока, что значительно снижает вероятность образования центров кристаллизации солевых отложений и дальнейший их рост на рабочей поверхности полотна тарелки.
Также можно отметить следующее преимущество данного типа тарелок: они обладают высоким КПД от 70 д 85 %.
Тарелки трапециевидно клапанные (неподвижный клапан) обладают высокой производительностью по пару и жидкости, что позволит увеличить производительность колонны по сырью до 80 % (или 15 000 кг/ч) при сохранении объемного расхода паров и скорости пара для укрепляющей и отгонной секции колонны.
Однако тепловая мощность имеющегося испарителя и конденсатора позволяет увеличить производительность колонны по сырью только лишь до 20 %, без ущерба заявленным показателям качества по верхнему и кубовому продуктам, что подтверждают проведенные технологические расчеты (в данной статье результаты расчетов не приводятся).
Результаты расчетов показали, что для увеличения нагрузки колонны по сырью до 15 000 кг/ч (увеличение производительности до 80 %) и обеспечения требуемых показателей качества продуктов колонны потребуется реконструкция теплообменного оборудования всего технологического узла [2].
Безреагентный физический метод
Из множества предлагаемых на рынке аппаратов было выбрано устройство магнитогидродинамической обработки (МГДО) производства фирмы ООО «Раилан-Кеми», где были проведены исследования для практического обоснования на специальном стенде, имитирующем процесс движения ВМР по трубопроводу.
Устройство МГДО, которое основано на принципе обработки неподвижной среды вращающимися источниками магнитного поля (ИМП) (см. рисунок 4). Оно содержит корпус 1 из диамагнитного материала, ИМП 2 на дисках 3, установленных вдоль корпуса на вращающихся валах 4.
В устройстве осуществляются следующие операции:
- Обработка среды магнитным полем вращающимися дисками с ИМП;
- Формирование в среде градиента концентрации ионов солей под воздействием индуцируемого электрического поля;
- Увеличение концентрации ионов солей в зоне с нулевой магнитной индукцией В;
- Получение микрокристаллов солей жесткости в зоне с нулевой магнитной индукцией В.
В лабораторных условиях устройство проходит исследования и определяется величина магнитной индукции, длительность обработки на обрабатываемую среду для эффективности результата.
Данный метод предполагает монтаж устройства МГДО (1) на трубопроводе подачи ВМР по питанию колонны 070К-2 до теплообменника позиции 070Т-1 (см. рисунок 5). В данном устройстве происходит обработка ВМР магнитным полем от вращающихся дисков с ИМП необходимой индукции, что позволит перевести ионы солей жесткости в потоке ВМР в мелкодисперсную кристаллическую фазу и вывести потоком из системы, предотвращая их адсорбцию на внутренней поверхности оборудования [3].
Данный метод позволяет добиваться степени снижения солеотложений до 40 %.
При движении среды через устройство МГДО, содержащей ионы солей жесткости, в магнитном поле в ней индуцируется электрический ток. Его носителями являются упомянутые ионы, на которые действует сила Лоренца. Выбирая необходимое расположение вектора магнитной индукции относительно вектора скорости потока среды, можно целенаправленно воздействовать на ионы солей жесткости и перераспределять их в объеме среды так, как это требуется в конкретном случае.
Для того чтобы инициировать кристаллизацию солей жесткости внутри объема перекачиваемой среды вдали от стенок труб в зазорах магнитного устройства, необходимо задать такое направление индукции магнитного поля, при котором в середине зазоров образовалась бы зона с нулевым значением индукции. С этой целью ИМП в устройстве располагаются одинаковыми полюсами навстречу друг другу (см. рисунок 6)
Под действием силы Лоренца в среде возникает противоток анионов и катионов, которые встречаются и начинают взаимодействовать именно в зоне с нулевым значением магнитной индукции.
Согласно теории активных столкновений С. Аррениуса, это приводит к активизации их взаимных соударений. Сближение двух ионов на достаточное для протекания реакции между ними расстояние затруднено, так как они должны за счет диффузии пройти сквозь слой растворителя. Активизируя диффузию ионов в среде путем индуцирования электрических токов в магнитном поле, можно повысить концентрацию реагирующих между собой ионов и увеличить число их столкновений в зоне с нулевым значением магнитной индукции. Таким образом, в этой зоне происходит принудительная кристаллизация солей жесткости
Кристаллы солей, которые образуются в зазоре устройства для проведения МГДО, имеют малые размеры (до 4 мкм) и высокую кинетическую энергию, в связи с чем они не способны к отложению на поверхности металла труб и контактных устройств колонны 070К-2, а перемещаются в объеме транспортируемой среды в виде мелкодисперсной взвеси.
Как известно, в потоке ВМР находятся ферромагнитные примеси в воде – это ржавчина, частицы металла с труб, окислы и т.п., они притягиваются магнитной системой и осаждаются на ее поверхности в виде илистых отложений. Эти отложения сужают сечение устройства МГДО и шунтируют магнитное поле, чем могут ухудшить работу источников магнитного поля. Особенно волноваться не стоит, так как процесс этот длительный (в зависимости от состава воды может происходить от одного года до 5 лет).
Уменьшить количество отложений на магнитной системе и увеличить интервал между чистками магнитной системы можно, установив перед устройством МГДО, на потоке ВМР после емкости 070Е-3 – сетчатый магнитный фильтр (2) с соответствующей пропускной способностью (см. рисунок 5).
Внутри этого фильтра находится металлическая сетка из нержавеющий стали для фильтрации механических примесей (песок, ржавчина, окалина) и магнит, который притягивает ферромагнитные примеси. Очистить магнит сетчатого фильтра проще, чем устройство МГДО [2].
Реагентный метод
Реагенты-ингибиторы солеотложений представляют собой реагенты для предотвращения новых отложений неорганических солей и удаления уже образованных.
Наиболее подходящим методом для сбора микрокристаллов и выноса их из системы, является активный полимер. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) способны притягивать ионы различного знака и образовывать на своей поверхности кристаллы.
Если ПАВ равномерно распределены по объему среды, то расстояние до них значительно меньше, чем до стенки, и на ПАВ начинается более интенсивный процесс кристаллообразования. Большая молекулярная масса данных соединений позволяет осадить значительное количество солей жесткости и не позволяет оседать на поверхности в подвижной среде, то есть потенциальная энергия адсорбции полимера на твердой поверхности гораздо ниже кинетической энергии молекул ПАВ в потоке движущейся среды.
В качестве поверхностно-активного полимера был выбран реагент-ингибитор солеотложений Railan SI 132 производства фирмы ООО «Раилан-Кеми», максимально собирающий и выносящий из зоны осаждения соли жесткости (см. рисунок 7). Данный реагент-ингибитор прошел исследования на модельной среде ВМР с лучшими результатами по снижению солесодержания
Railan SI 132 представляет собой жидкий, полифосфатный ингибитор с поверхностно-активными веществами. Рекомендуется применять в режиме постоянной дозированной подачи в систему оборотного водоснабжения.
Проведенные испытания показывают высокую эффективность по снижению отложения неорганических солей на металлической поверхности ингибитора солеотложения Railan SI. В том числе реагент дополнительно снижает скорость коррозии металла.
Данный метод позволяет снижать количество отложений неорганических солей до 60 % [2, 4].
Метод обратного осмоса
Обратноосмотическая установка «ZauberROS-3W» (см. рисунок 8) производительностью 3,5 м3/ч предназначена для обессоливания воды методом низконапорного обратного осмоса. Применяется для снижения солесодержания и удаления ионов минеральных веществ и тяжелых металлов в системах подготовки воды, но данный метод применяется для очистки от солей только подпиточной воды. Поэтому в данной работе метод обратного осмоса подробно рассматриваться не будет [2, 4].
Сравнительный анализ предлагаемых решений
Проведем сравнительный анализ предлагаемых решений (см. таблицу 1).
Основные преимущества безреагентного физического метода заключаются в отсутствии энергозатрат и эксплуатационных расходов, длительности срока службы, он основан на известном физическом принципе отклонения движущихся заряженных частиц (ионов) в магнитном поле.
Проведены исследования устройства МГДО с имитацией процесса движения ВМР по трубопроводу, при данном методе образуются мелкие кристаллы (размером менее 5 мкм), которые не образуют отложений и выводятся потомком из системы. Из недостатков - небольшой КПД до 40 % и необходимость периодического слива мелкодисперсного шлама из застойных зон.
Реагентный метод позволяет получить гарантированный результат, данный метод позволяет снижать количество отложений неорганических солей до 60 %; также снижает коррозию металла, что существенно продлевает срок безаварийной эксплуатации оборудования. Недостаток данного метода заключается в ежегодных эксплуатационных затратах на реагент и необходимость вывода реагента из технологической системы путем кратковременного периодического дренирования из застойных зон.
Тарелки трапециевидно клапанные (неподвижный клапан) снабжены трапециевидными клапанами с волнистыми кромками, обеспечивающими интенсивную турбулизацию газожидкостного потока, что значительно снижает вероятность образования центров кристаллизации солевых отложений и дальнейший их рост на рабочей поверхности полотна тарелки.
Они также обладают высокой производительностью по пару и жидкости, что позволит увеличить производительность колонны по сырью до 20 %, имеют высокий КПД – от 70 до 85 %.
Однако метод замены ситчатых тарелок на тарелки трапециевидно клапанные не исключает образование значительных солеотложений в застойных зонах полотна тарелки – переливных перегородках сливных карманов.
Преимуществом метода обратного осмоса является высокая степень очистки воды от солей жесткости, которая составляет 80–95 %. Но данный метод низконапорного обратного осмоса производит очистку от солей только подпиточной воды, т.к. нет предложений рынка по очистке с помощью данного метода ВМР.
Предлагаемый комплекс методов
Применение каждого из рассмотренных методов (см. таблицу 1) приводит к частичному решению существующих проблем.
Анализ представленных методов показал, что метод обратного осмоса в данном случае неприменим, так как обессоливание промывочной воды не позволит удалить соли жесткости, которые поступают с потоком ВМР, образовавшимся в процессе извлечения метанола из ПБФ экстракцией.
Сравнительный анализ позволил выявить необходимость комплексного применения указанных методов (исключая метод обратного осмоса) для достижения эффективного результата (см. рисунок 9).
- Монтаж устройства МГДО позволит перевести ионы солей жесткости в потоке ВМР в мелкодисперсную кристаллическую фазу, предотвращая их адсорбцию на внутренней поверхности оборудования;
- Подача реагента-ингибитора позволит абсорбировать на поверхности высокомолекулярных ПАВ взвешенные в коллоидном растворе мелкодисперсные кристаллы солей жесткости, полученные воздействием на поток ВМР устройства МГДО и вывести их из системы.
- Тарелки трапециевидно клапанные имеют высокую устойчивость к забиванию солями жесткости рабочего сечения полотна, благодаря инжекционному эффекту, создаваемому особой конструкцией клапанов, а также существенно увеличат производительность колонны.
Выбраны наиболее эффективные методы: замена ситчатых тарелок на тарелки трапециевидно клапанные, магнитогидродинамическая обработка и дозирование ингибитора.
Для снижения отложения солей в колонне 070К-2/1,2 наибольшую эффективность проявил ингибитор солеотложения Railan SI -132 в сочетании с МГДО.
Сочетание реагента Railan SI -132 и МГДО позволяет добиваться степени снижения солеотложений на более чем 70% при минимальной дозировке – 5 ppm, а устройство МГДО устанавливается на 5 лет и не требует замены деталей и энергозатрат.
Кроме того, устройство МГДО обеспечивает снижение отложений солей на 40 % при перебоях с подачей реагента.
Использование устройства МГДО позволяет в два раза снизить эффективную концентрацию ингибитора солеотложения.
Ингибитор солеотложения не оказывает влияния на качественные характеристики СУГ и метанола, так как полностью удаляется из циркуляционной в канализацию, при этом количество вредных веществ в стоках не нарушает экологические показатели.
Полотна тарелки трапециевидно клапанные позволят не только избежать негативного влияния остаточных солей жесткости в потоке ВМР (т.к. метод МГДО в комбинации с подачей ингибитора Railan SI- 132 имеет высокую эффективность – 70 %), но и нарастить мощности переработки по сырью (ВМР) колонны 070К-2 до 20 %, при этом обеспечив стабильный режим работы колонного оборудования.
А также позволит улучшить качественные показатели процесса регенерации экстракционной воды, а именно повысить концентрацию метанола в верхнем продукте колонны – выше 95 %, тем самым удовлетворив требования к качеству товарного метанола основного потребителя – OOO «НОВАТЭК-Таркосаленефтегаз».
Комплекс предлагаемых методов позволит:
· Исключить накопление солей в системе, забивку отверстий контактных устройств и переливных карманов тарелок солевыми отложениями;
· Увеличить производительность колонны по сырью до 20 %;
· Вовлечь в переработку дополнительные объемы ВМР с высоким содержанием солей жесткости, в настоящее время закачиваемых в поглощающий пласт;
· Обеспечить стабильную и безаварийную эксплуатацию оборудования.
Что в совокупности значительно повысит эффективность и надежность эксплуатации оборудования, а также позволит нарастить мощности блока регенерации воды установки осушки СУГ.
Области применения предлагаемой разработки. Предлагаемая разработка может быть использована на предприятиях нефте- и газоперерабатывающего направления, на установках осушки сжиженных углеводородных газов, установках экстракции.
Литература
1. Технологический регламент установки осушки сжиженных углеводородных газов ООО «НОВАТЭК-Пуровский ЗПК».
2. Афанасьев А.И. Технология переработки природного газа и конденсата. / Афанасьев А.И., Бекиров Т.М., Барсук С.Д. и др. Справочник. – М.: Недра. – 2002. – 517 с.
3. RU 84268U1 Устройство для предупреждения накипи / Крылов Г.В., Болотов А.А., Application RU2009109051/22U. 2009.
4. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие / Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд. Л.: Химия. – 1982 г. – 592 с.
